關(guān)于MVR在板式蒸發(fā)裝置中的應(yīng)用研究_
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論文導(dǎo)讀:：降低蒸發(fā)裝置的蒸汽用量對(duì)于節(jié)能減排有重要的意義。該公司的MVR蒸發(fā)技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位。蒸發(fā)設(shè)備廣泛應(yīng)用于制藥、輕工食品、石油化工、生物工程等行業(yè)。
關(guān)鍵詞：蒸發(fā)裝置，MVR，蒸發(fā)
蒸發(fā)設(shè)備廣泛應(yīng)用于制藥、輕工食品、石油化工、生物工程等行業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及石油、天然氣、煤炭等不可再生資源的日漸枯竭，使為蒸發(fā)設(shè)備提供熱源的蒸汽成本不斷增加，蒸發(fā)設(shè)備是生產(chǎn)系統(tǒng)中蒸汽消耗較大的設(shè)備，蒸汽成本的上升使得企業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本急劇增加。因此，降低蒸發(fā)裝置的蒸汽用量對(duì)于節(jié)能減排有重要的意義。
自20世紀(jì)80年代以來，蒸汽透平壓縮機(jī)的技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)各類氣體介質(zhì)的壓縮及輸送。在本世紀(jì)初，國外已能夠生產(chǎn)大型蒸汽壓縮機(jī)。主要的蒸發(fā)器生產(chǎn)廠商德國GEA 公司已嘗試將大型蒸汽壓縮機(jī)應(yīng)用于管式蒸發(fā)裝置并取得成功，該公司的MVR蒸發(fā)技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位，但國內(nèi)外目前尚末將此技術(shù)應(yīng)用在板式蒸發(fā)裝置上。我公司作為國內(nèi)唯一具有大型板式蒸發(fā)裝置生產(chǎn)能力的企業(yè)，如果能將此技術(shù)成功應(yīng)用于板式蒸發(fā)裝置，則其產(chǎn)品極具競爭優(yōu)勢，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要的促進(jìn)意義。
本文在研究了國外最先進(jìn)蒸發(fā)技術(shù)及離心式蒸汽壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了將MVR技術(shù)應(yīng)用于我公司大型板式蒸發(fā)裝置的工藝方案，此MVR蒸發(fā)器將可以不用蒸汽作為加熱熱源，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能壓縮二次蒸汽循環(huán)蒸發(fā)，極大的降低了蒸發(fā)設(shè)備能耗。
1機(jī)械蒸汽濃縮法及其原理
MVR(MechanicalVapor Recompression)蒸發(fā)裝置二次蒸汽機(jī)械壓縮法是指利用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓原理、經(jīng)特殊流體設(shè)計(jì)而組成的二次蒸汽機(jī)械增壓式蒸發(fā)系統(tǒng)的簡稱。在這種工藝系統(tǒng)中，密閉容器內(nèi)經(jīng)加熱蒸發(fā)生成的二次水蒸汽，通過蒸汽壓縮機(jī)時(shí)被再壓縮增壓至較高溫度的高壓蒸汽碩士畢業(yè)論文，此高壓高溫蒸汽再被用于蒸發(fā)設(shè)備的加熱熱源，進(jìn)入蒸發(fā)器的加熱腔繼續(xù)蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)電能到熱能的轉(zhuǎn)換，這樣的蒸發(fā)裝置不再對(duì)外界蒸汽能源的依懶與攝取，循環(huán)傳熱的過程中增壓后的蒸汽做為蒸發(fā)器的加熱熱源后也得以迅速冷凝，成為潔凈蒸餾水。壓縮機(jī)以提高蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽的壓力來達(dá)到二次蒸汽更高溫度的凝結(jié)。這種提高了壓力的蒸汽，會(huì)提高潛在的熱能，然后再重新返回蒸發(fā)器來進(jìn)行加熱，從而制造出更多的二次蒸汽。這樣，熱能被持續(xù)的重新利用，而不易損失[1]。
進(jìn)行完熱交換的蒸汽冷凝成純度很高的水，被收集出來，熱交換過程中產(chǎn)生的二次蒸汽再被壓縮，作為下一循環(huán)的熱源。如此循環(huán)，多級(jí)蒸發(fā)后的液體從蒸發(fā)器底部排出。因此，只需在系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)入熱源，采用電加熱或少量蒸汽預(yù)熱物料即可使蒸發(fā)器開始正常循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。在蒸發(fā)器中，是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，所有的蒸汽都被回收，再用高壓風(fēng)扇加壓后作熱源之用，不需要額外的蒸汽或冷卻水，提高了能源利用效率。
2 多效蒸發(fā)器與MVR蒸發(fā)器對(duì)比
2.1 多效蒸發(fā)工藝
張永生（1975-），男，甘肅臨澤人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事蒸發(fā)換熱設(shè)備設(shè)計(jì)及研制工作。
在多效蒸發(fā)裝置中，新鮮蒸汽為第一效的加熱熱源，而第一效產(chǎn)生的二次蒸汽不進(jìn)入冷凝器，而是作為第二效的加熱熱源得以再次利用，這樣可以將新蒸汽消耗有效降低約50%。重復(fù)利用此原理，三效、四效、五效、六效蒸發(fā)裝置可進(jìn)一步降低新蒸汽消耗，這樣的六效蒸發(fā)裝置，理論上蒸汽消耗可降低至15%。
第一效的最高加熱溫度與末效的最低沸點(diǎn)溫度形成了總溫差，分布于各個(gè)效，從而形成溫差分布。結(jié)果，每效溫差隨效數(shù)增加而減小。所以為達(dá)到指定的蒸發(fā)速率必須增大加熱面積。初步估算表明，用于所有效的加熱面積隨效數(shù)成比例增加碩士畢業(yè)論文，這樣一來蒸汽節(jié)省量逐漸減少的同時(shí)，投資費(fèi)用顯著增加。多效蒸發(fā)器直接加熱熱流圖見圖1。
圖1 多效蒸發(fā)器直接加熱熱流圖
2.2 TVR板式蒸發(fā)技術(shù)
TVR(Thermal VaporRecompression)熱力壓縮，是指用高溫高壓的工作蒸汽將低品質(zhì)乏氣再壓縮重復(fù)利用的技術(shù)。其關(guān)鍵設(shè)備是由蒸汽噴射器來完成，是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，高溫高壓的新鮮工作蒸汽進(jìn)入噴射器，由噴嘴高速噴出，將靜壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，由于射流和空氣之間產(chǎn)生卷吸作用和紊動(dòng)擴(kuò)散作用，把吸入室的氣體帶走，使該處產(chǎn)生局部真空狀態(tài)，在外界大氣壓力的作用下，分離器分離出的二次蒸汽被吸入，隨同高壓高速流體被帶入喉管，與之混合，并進(jìn)行能量交換，形成中等品質(zhì)的蒸汽，進(jìn)入加熱室當(dāng)作加熱蒸汽使用，來加熱料液。
蒸汽噴射式熱泵具有結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定、價(jià)格低廉、節(jié)能等特點(diǎn)。使用蒸汽噴射式熱泵，當(dāng)引射比為1：1時(shí)，效能上相當(dāng)于增加一效蒸發(fā)器,工藝流圖見圖2.
圖2 TVR熱力壓縮流程圖
2.3 MVR板式蒸發(fā)器蒸發(fā)流程
機(jī)械蒸汽再壓縮時(shí)，通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)將蒸發(fā)器蒸的二次蒸汽壓縮至較高壓力和溫度。因此壓縮機(jī)作為熱泵來工作，給蒸汽增加能量。
配備有機(jī)械蒸汽再壓縮型熱泵的蒸發(fā)裝置，在一般的操作條件下僅需要很少的能量輸入，是一種開放式的系統(tǒng)，而TVR熱力壓縮是一種封閉的系統(tǒng)，噴射壓縮器只能壓縮一部分蒸汽，動(dòng)力蒸汽的能量最后通過冷卻水作為殘余熱量被移走。在機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)中，所有的蒸汽被壓縮到一個(gè)較高的冷凝壓力，熱流圖如圖3所示。
圖3 機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)過程熱流圖
板式蒸發(fā)器是由板式加熱元件組成，濃縮液自加熱元件表面自下而上，又從上而下流過，與加熱板片進(jìn)行熱交換，受熱的料液在加熱板片表面形成薄膜，由此而蒸發(fā)，蒸發(fā)表面產(chǎn)生的蒸汽離開加熱元件的側(cè)面上升，所以幾乎不過熱地送至離心式壓縮機(jī)。蒸發(fā)的二次蒸汽被壓縮機(jī)經(jīng)一次或二次壓縮，變成較高溫度品質(zhì)的蒸汽，再送到蒸發(fā)器內(nèi)部加熱元件中作為加熱源。為了消除壓縮機(jī)中蒸汽過熱現(xiàn)象碩士畢業(yè)論文，要不斷地向壓縮機(jī)內(nèi)注入少許的蒸汽冷凝液，因?yàn)閴嚎s過程蒸汽變成過熱，為了把溫度降低到與壓縮機(jī)排出壓力相當(dāng)?shù)娘柡蜏囟�。加熱蒸汽在蒸發(fā)器加熱單元中凝結(jié)成水，排出后部分送至預(yù)熱器中用來加熱待蒸發(fā)物料，少部分送至離心壓縮機(jī)中去消除過熱[2]。
3 MVR在板式蒸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用
MVR系統(tǒng)與板式蒸發(fā)系統(tǒng)的組合中，其工藝可以設(shè)計(jì)為單效蒸發(fā)，也可以實(shí)現(xiàn)多效蒸發(fā)，具體情況需根據(jù)MVR系統(tǒng)能提供的最大壓縮溫差來決定。
在高速透平壓縮系統(tǒng)中，由于其應(yīng)用齒輪組技術(shù)，葉輪轉(zhuǎn)速較高，可以實(shí)現(xiàn)較大的壓縮比，故其壓縮后溫差較高，蒸發(fā)系統(tǒng)可以采用順流工藝，即壓縮系統(tǒng)的蒸汽吸入口與排出口間可以實(shí)現(xiàn)多效順流，其工藝簡圖如圖4。但此壓縮系統(tǒng)由于其主軸轉(zhuǎn)速較高，故葉輪直徑較小，壓縮蒸汽量較小，對(duì)于較大蒸發(fā)量的蒸發(fā)裝置，此系統(tǒng)難以滿足其工藝要求。
圖4 順流工藝簡圖
在離心式壓縮系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)直接與葉輪軸相連，葉輪轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，可能實(shí)現(xiàn)極大蒸汽量的壓縮，但此裝置缺點(diǎn)為溫差△t 低。如果實(shí)現(xiàn)多效連續(xù)蒸發(fā)，則各效間溫差較低，影響系統(tǒng)的蒸發(fā)效率。但由于其蒸汽壓縮量大，可以實(shí)現(xiàn)并流蒸發(fā)，工藝簡圖見圖5。
圖5 并流工藝簡圖
為了彌補(bǔ)由于采用離心式壓縮系統(tǒng)而導(dǎo)致溫差過小的缺點(diǎn)，可采用多級(jí)壓縮，即應(yīng)用2個(gè)或3個(gè)離心式壓縮系統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使壓縮系統(tǒng)蒸汽進(jìn)出口壓縮比增大，而蒸發(fā)系統(tǒng)可采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，而各效蒸發(fā)器間可能獲得相對(duì)較高的溫差，工藝簡圖見見圖6。
圖6 二級(jí)壓縮順流工藝簡圖
以雙效板式蒸發(fā)裝置為例，蒸發(fā)量為10t/h的雙效板式蒸發(fā)裝置，每小時(shí)需新鮮蒸汽4.5噸，成本約675元，采用MVR機(jī)械壓縮系統(tǒng)后，無需蒸汽加熱碩士畢業(yè)論文，電費(fèi)成本只需100元，MVR系統(tǒng)蒸發(fā)器運(yùn)行成本僅為普通蒸發(fā)器運(yùn)行成本的六分之一。在乳品工業(yè)中可以設(shè)計(jì)小型到中型的單效MVR蒸發(fā)器，其熱效率非常良好，可以相當(dāng)于3效MVR渦輸壓縮機(jī)蒸發(fā)器，每0.75kW可除45kg到68kg水分[3]。一般情況下，供給能量達(dá)到蒸發(fā)能量的7％～8％，即可滿足額定蒸發(fā)的生產(chǎn)需求[4]。
MVR系統(tǒng)蒸發(fā)器一般采用離心式低△t壓縮風(fēng)機(jī)，因其成本較低，蒸發(fā)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為單效大流量蒸發(fā)，其蒸發(fā)溫度可以控制在55℃，實(shí)現(xiàn)真正意義上的低溫蒸發(fā)，尤其適合于熱敏性物料的蒸發(fā)。這種新型熱泵蒸發(fā)裝置在正常運(yùn)行時(shí)，除原料預(yù)熱使用極少量蒸汽(約為原料的2％)外，不需要其它的蒸汽熱源。當(dāng)然，壓縮機(jī)一定要靠電來驅(qū)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生額外的電耗[5]，其工藝圖見圖7。
圖7 雙效MVR板式蒸發(fā)裝置工藝圖
4 結(jié)語
相對(duì)于普通的蒸發(fā)設(shè)備，MVR蒸發(fā)器具有單位能量消耗低、工藝簡單、實(shí)用性強(qiáng)、蒸發(fā)溫度低、適合熱敏性物料的蒸發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，與板式蒸發(fā)器極強(qiáng)的傳熱效率相結(jié)合，將使MVR板式蒸發(fā)器具有極強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，對(duì)節(jié)能減排及促國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有極其重要的作用。
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